AWS EC2
AWS EC2 Deep Dive
1. Amazon EC2 基础与架构 (EC2 Basics & Architecture)
Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) 提供可调整大小的计算容量，允许用户在几分钟内启动虚拟服务器。
1.1 核心价值与限制
- 全球覆盖 (Global Reach)：部署在 30 多个地理区域 (Regions) 和本地区域 (Local Zones)。
- 安全性 (Security)：通过 NitroTPM 实现验证启动，通过 VPC 实现网络隔离。
- 灵活性 (Flexible)：支持多种处理器（Intel, AMD, Graviton）和购买模式。
- 限制 (Limits)：
- On-Demand：基于 vCPU 数量的软限制。
- Reserved Instances：默认限制购买 20 个。
- Spot Instances：每个区域有动态的 Spot 限制。
1.2 AWS Nitro System
EC2 的下一代底层平台，将虚拟化功能卸载到专用硬件。
- 优势：提供接近裸机（Bare Metal）的性能，更高的安全性，以及更低的成本。
- NitroTPM：利用 Nitro System 提供加密验证，验证实例身份和软件完整性（”Verify me” 模型）。
1.3 实例类型 (Instance Types)
考试中需要根据场景选择正确的类型系列：
| 类型系列 | 描述 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 通用型 (General Purpose) | t-type, m-type |
Web 服务器、平衡负载、代码库。 |
| 计算优化型 (Compute Optimized) | c-type |
批处理、高性能 Web 服务器、科学建模、机器学习推理。 |
| 内存优化型 (Memory Optimized) | r-type, x-type, z-type |
高性能数据库、分布式内存缓存 (Redis)。 |
| 存储优化型 (Storage Optimized) | d-type, h-type, i-type |
NoSQL 数据库、数据仓库、分布式文件系统。 |
| 加速计算型 (Accelerated Computing) | p-type, g-type, inf-type |
机器学习训练 (Trainium)、图形处理 (GPU)。 |
2. 购买选项与定价 (Purchase Options & Pricing)
这是 SAA 考试中关于成本优化的绝对核心考点。
2.1 购买选项详解
| 选项 | 描述 | 承诺期 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| On-Demand (按需) | 按秒/小时计费。无预付，无承诺。 | 无 | 短期、突发、不可预测的工作负载。开发/测试。 |
| Savings Plans (推荐) | 承诺每小时花费 (如 $10/hr)，比 RI 更灵活。高达 72% 折扣。 | 1年/3年 | 首选推荐。EC2/Fargate/Lambda 混合使用。 |
| Reserved Instances (RI) | 承诺使用特定配置。 | 1年/3年 | 稳态使用 (Steady-state)。长期数据库。 |
| Spot Instances (竞价) | 利用闲置容量，折扣最高 90%。可能被中断 (2分钟警告)。 | 无 | 无状态、容错、批处理、CI/CD、HPC。 |
| Dedicated Hosts | 专用物理服务器。完全隔离。支持 BYOL。 | 可选 | 自带许可 (BYOL) 场景（如 Windows/SQL Server），合规性要求。 |
| Dedicated Instances | 专用硬件上的实例，但不指定物理服务器。 | 无 | 仅需硬件隔离，无 BYOL 需求。 |
| Capacity Reservations | 在特定 AZ 预留容量。不提供价格折扣（需结合 RI/Savings Plan 使用）。 | 任意 | 确保在灾难恢复或特定活动期间有机器可用。 |
2.2 预留实例 (RI) 类型对比
| 特性 | Standard RI (标准) | Convertible RI (可转换) |
|---|---|---|
| 折扣力度 | 最高 (最高 72%) | 较低 (最高 54%) |
| 灵活性 | 可修改 AZ、网络类型、实例大小 (Linux)。不可改系列。 | 可修改实例系列 (如 C4 变 C5)、OS、租户。 |
| 转售 | 可以在 RI Marketplace 出售。 | 不可转售。 |
2.3 Spot 策略
- Spot Fleet 策略：
- LowestPrice：从价格最低的池中启动实例（成本最低）。
- Diversified：跨所有池分布实例（可用性最高）。
- CapacityOptimized：从容量最充裕的池中启动（中断风险最低，推荐）。
3. 存储选项 (Storage Options: Instance Store vs EBS)
理解根卷（Root Volume）的行为差异至关重要。
| 特性 | Instance Store (临时存储) | EBS (Elastic Block Store) |
|---|---|---|
| 定义 | 直接附加在物理服务器上的磁盘 (Ephemeral)。 | 网络连接的持久化块存储。 |
| 持久性 | 临时性。停止 (Stop) 或终止 (Terminate) 时数据丢失。 | 持久性。独立于实例生命周期（默认根卷随实例删除，但可配置保留）。 |
| 性能 | 极高的 I/O 性能（物理连接）。 | 取决于卷类型和网络带宽。 |
| 停止行为 | 不支持 Stop 操作。只能重启或终止。 | 支持 Stop 和 Start。停止期间数据保留。 |
| 主要用途 | 缓存、临时缓冲区、无状态应用、复制的数据集群。 | 数据库、持久文件系统、引导卷。 |
架构师笔记：Instance Store 提供极高的 I/O 性能，但必须在应用层处理数据冗余（如 RAID 0/1/10 或复制到 S3/EBS），否则硬件故障会导致数据永久丢失。此外，Instance Store 实例启动时间通常比 EBS 实例慢（需从 S3 加载数据）。
3.1 Amazon Machine Images (AMI)
- 区域性：AMI 是区域（Region）级别的资源。如需在另一区域使用，必须 Copy AMI。
- EC2 Image Builder：自动化创建、维护、验证和修补 AMI 的托管服务。
- 回收站 (Recycle Bin)：支持恢复意外删除的 AMI。
- UEFI Secure Boot：确保实例只启动经过加密签名的软件，防止恶意软件在引导过程中加载。
4. 网络与放置组 (Networking & Placement Groups)
4.1 IP 地址与 ENI
- Elastic IP (EIP)：静态公有 IPv4 地址。如果 EIP 未关联到运行中的实例，AWS 会收取闲置费。
- ENI (Elastic Network Interface)：虚拟网卡。可以分离并附加到另一台实例（同一 AZ 内），用于故障转移。
- EC2 Instance Connect：通过 SSH (Linux) 或 RDP (Windows) 安全连接实例，无需管理 SSH 密钥。
4.2 放置组 (Placement Groups)
控制实例在物理硬件上的分布策略。
- Cluster (集群)：
- 机制：将实例紧密打包在单个 AZ 内。
- 场景：低延迟、高网络吞吐量（如 HPC 高性能计算）。
- Spread (分散)：
- 机制：将每个实例放置在不同的物理机架上。
- 限制：每个 AZ 最多 7 个运行实例。
- 场景：关键任务，避免单点硬件故障。
- Partition (分区)：
- 机制：将实例分布在逻辑分区中，分区之间不共享硬件。
- 场景：大型分布式工作负载（如 Hadoop, Kafka, Cassandra）。
4.3 高性能网络
- Enhanced Networking (增强联网)：使用 SR-IOV 提供更高的 PPS 和更低的延迟。
- Elastic Fabric Adapter (EFA)：用于 HPC 和机器学习的专用网络接口，绕过操作系统内核直接通信。紧密耦合任务首选。
5. 生命周期与状态管理 (Lifecycle & State Management)
5.1 实例状态
- Stop (停止)：EBS 卷保留，Instance Store 数据丢失。不收取计算费用，但收取 EBS 存储费。
- Terminate (终止)：实例被删除。默认情况下根 EBS 卷会被删除（除非设置
DeleteOnTermination为 false）。 - Hibernate (休眠)：
- 将内存 (RAM) 中的状态写入根 EBS 卷，然后关机。
- 启动时从硬盘加载内存状态，快速恢复进程。
- 要求：根卷必须是加密的 EBS 卷。
5.2 实例元数据与用户数据
- Instance Metadata：实例通过
http://169.254.169.254/latest/meta-data/获取自身信息（IP、AMI-ID、IAM 角色等）。 - User Data：启动时运行的脚本。仅在首次启动时执行一次。
- IMDSv2：元数据服务的第 2 版，要求基于会话的 Token 身份验证，安全性更高。
6. 安全性与监控 (Security & Monitoring)
6.1 Security Groups vs Network ACLs
| 特性 | 安全组 (Security Group) | 网络 ACL (Network ACL) |
|---|---|---|
| 作用级别 | 实例级别 | 子网级别 |
| 状态 | 有状态 (Stateful)：入站允许则出站自动允许。 | 无状态 (Stateless)：需分别配置出入站。 |
| 规则 | 仅支持 ALLOW。 | 支持 ALLOW 和 DENY。 |
6.2 监控 (CloudWatch)
- 默认监控：每 5 分钟推送一次指标（免费）。
- 详细监控：每 1 分钟推送一次（收费）。
- 状态检查：
- System Status Checks：AWS 基础设施层面的问题（需 AWS 修复）。
- Instance Status Checks：你的 OS/配置层面的问题（需用户修复，如重启）。
7. 最佳实践总结 (Exam Tips & Scenarios)
Note - 高性能计算 (HPC)：如果题目提到“低延迟、节点间通信紧密”，首选 Cluster Placement Group + Enhanced Networking/EFA。
Note - 成本优化：
- 长时间稳定运行 -> Savings Plans / RI。
- 批处理、容错任务 -> Spot Instances。
- 软件许可证绑定物理核心 -> Dedicated Hosts。
Note - 数据恢复：如果无法连接到实例（如 Key 丢失或配置错误），可以将根 EBS 卷分离，附加到另一台临时实例作为数据盘进行修复，然后再挂载回去。
Note - 启动故障：如果启动时遇到
InsufficientInstanceCapacity，尝试稍后重试或更换 AZ；如果是 Spot 实例，考虑更改价格或策略。
实战场景自测
场景 A：合规性与软件许可
问题：公司需要迁移现有的 Microsoft SQL Server 负载到 AWS，拥有基于 CPU 插槽 (Per-Socket) 的许可证，且必须遵守“运行在专用物理服务器上”的要求。
答案：选择 Dedicated Hosts。只有它提供对物理服务器插槽/核心的可见性，支持 BYOL。
场景 B：HPC 高性能计算网络优化
问题：跨多个实例的风洞模拟模型（HPC），节点间通信紧密耦合 (Tightly Coupled)，要求低延迟。
答案：在单个 AZ 内配置 Cluster Placement Group。提供最低延迟和最高单流吞吐量。